(金屬材料與熱處理)模塊一金屬的力學(xué)性能

模塊一金屬的力學(xué)性能金屬材料獲得廣泛應(yīng)用是由于它們?cè)诩庸ず褪褂眠^程中具備各種優(yōu)越的性能。金屬材料的性能指標(biāo)和變化規(guī)律是選擇合適材料的主要依據(jù)。性能使用性能：力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等工藝性能：鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。

金屬的物理性能金屬的物理性能是指金屬在固態(tài)下所表現(xiàn)出的一系列物理現(xiàn)象。物理性能不僅影響材料的應(yīng)用范圍和產(chǎn)品質(zhì)量，而且對(duì)加工工藝，特別是對(duì)焊接的工藝性和焊接質(zhì)量有較大影響。

1.密度

密度是單位體積物質(zhì)的質(zhì)量，密度是金屬材料的特性之一。不同金屬的密度不同。按密度的大小，將金屬分為輕金屬與重金屬兩類。在生產(chǎn)中，常利用金屬的密度來計(jì)算毛坯或零件的質(zhì)量。此外密度有

時(shí)是選擇材料的依據(jù)。

2.熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)是指金屬由固態(tài)熔化為液態(tài)時(shí)的溫度。純金屬的熔點(diǎn)是固定不變的，合金的熔點(diǎn)取決于它的成分熔點(diǎn)是金屬和合金進(jìn)行冶煉、鑄造、焊接時(shí)重要工藝參數(shù)金屬的物理性能3.導(dǎo)熱性金屬的導(dǎo)熱性是指在其內(nèi)部或相互接觸的物體之間存在溫差時(shí)，熱量從高溫部分到低溫部分或從高溫物體到低溫物體的移動(dòng)能力，用熱導(dǎo)率λ表示，單位為W/（m·K）。導(dǎo)熱性是金屬材料的重要性能之一，在制定焊接、鑄造、鍛造和熱處理工藝時(shí)，必須考慮防止金屬材料在加熱和冷卻過程中形成過大的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生變形和開裂。4.導(dǎo)電性金屬傳導(dǎo)電流的能力稱為導(dǎo)電性，常用電導(dǎo)率γ表示，單位為S/m。電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)。電導(dǎo)率越大，金屬的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。工業(yè)上常用電導(dǎo)率高的材料制造電器零件，如電線、電纜、電器元件等;用電導(dǎo)率低的金屬如鎳鉻合金和鐵鉻鋁合金制造電阻器或電熱元件等。金屬的物理性能5.熱膨脹性熱膨脹性是指固態(tài)金屬在溫度變化時(shí)熱脹冷縮的能力，在工程上常用線膨脹系數(shù)來表示，符號(hào)為α熔焊時(shí)，由于熱源對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱，使焊件上的溫度分布極不均勻，造成焊件上出現(xiàn)不均勻的熱膨脹，從而導(dǎo)致不均勻的變形和焊接應(yīng)力，而且被焊材料的線膨脹系數(shù)越大，引發(fā)的焊接應(yīng)力和變形就越大。6.磁性金屬能導(dǎo)磁的性能稱為磁性。金屬材料根據(jù)其在磁場(chǎng)中受到的磁化程度不同，可分為鐵磁性材料（如鐵、鈷等）、順磁性材料（如錳、鉻等）和抗磁性材料（如銅、鋅等）三種。金屬的化學(xué)性能金屬的化學(xué)性能是指金屬在化學(xué)作用下所表現(xiàn)的性能1.耐腐蝕性金屬材料在常溫下抵抗氧氣、水蒸氣及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力。提高金屬材料的耐腐蝕性，對(duì)于節(jié)約金屬材料和延長金屬材料的使用壽命，具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義2.抗氧化性金屬材料在加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，例如鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工作業(yè)時(shí)，氧化比較嚴(yán)重。這不僅造成材料過量的損耗，也會(huì)形成各種缺陷。為此，常在工件的周圍制造一種保護(hù)氣氛，避免金屬材料的氧化。金屬的化學(xué)性能3.化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。在高溫條件下工作的設(shè)備（如鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等）上的部件需要選擇熱穩(wěn)定性好的材料來制造。金屬的工藝性能工藝性能是指機(jī)器零件或工具在加工過程中，金屬材料所表現(xiàn)出來的適應(yīng)能力。金屬的工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。1．鑄造性能材料適于鑄造加工的性能力稱為鑄造性能。衡量鑄造性能的指標(biāo)有流動(dòng)性、收縮性和偏析等。凡是流動(dòng)性好、收縮性小以及偏析傾向小的金屬材料，其鑄造性能良好，容易造成優(yōu)良的鑄件。常用鋼鐵材料中鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能，而鋼的鑄造性能低于鑄鐵。2.鍛造性能材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞主要與材料的塑性和變形抗力有關(guān)。塑性越好，變形抗力越小，則鍛造性能越好。金屬的工藝性能3.焊接性能焊接性能是指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性。也就是在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。對(duì)于碳鋼和低合金鋼，焊接性能主要同金屬材料的化學(xué)成分有關(guān)，其中碳的影響最大。例如低碳鋼具有良好的焊接性，高碳鋼、鑄鐵的焊接性差。4.切削加工性能材料接受切削加工的難易程度稱為切削加工性能。影響切削加工性能的因素主要有工件的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、硬度、韌性、導(dǎo)熱性和變形強(qiáng)化等。5.熱處理工藝性是材料接受熱處理的能力。包括淬硬性、淬透性、淬火變形開裂傾向、過熱敏感性、回火脆性、氧化脫碳傾向等強(qiáng)度與塑性金屬材料的室溫拉伸試驗(yàn)金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)是應(yīng)用最廣泛的金屬力學(xué)性能試驗(yàn)方法之一。試驗(yàn)是在試樣兩端緩慢施加載荷，使試樣的工作部分受軸向拉力，引起試樣沿軸向伸長，直至拉斷為止。拉伸試驗(yàn)按照GB/T228-2010進(jìn)行拉伸曲線強(qiáng)度與塑性低碳退火鋼拉伸曲線分析第1階段：彈性變形階段（oa）在此階段中應(yīng)力-延伸率成直線關(guān)系，加力時(shí)產(chǎn)生變形，卸力后變形能完全恢復(fù)拉伸曲線oa階段的斜率(R/e)為試驗(yàn)材料的彈性模量（E）。彈性模量表示金屬材料對(duì)彈性變形的抵抗能力，也叫材料的剛度。第2階段：滯彈性變形階段（ab）這階段中應(yīng)力-延伸率出現(xiàn)了非直線關(guān)系，當(dāng)力加到b點(diǎn)時(shí)卸除力，變形仍可回到原點(diǎn)強(qiáng)度與塑性第3階段：微塑性應(yīng)變階段（bc）當(dāng)應(yīng)力超過b點(diǎn)后，隨著應(yīng)力的增加，試樣在彈性變形的同時(shí)開始發(fā)生微量塑性變形第4階段：屈服階段（cde）。當(dāng)應(yīng)力加到c點(diǎn)時(shí)，突然產(chǎn)生塑性變形，在曲線上出現(xiàn)力不同程度下降，而試樣塑性變形急劇增加，稱為材料的屈服。強(qiáng)度與塑性第5階段：塑性應(yīng)變強(qiáng)化階段（ef）屈服結(jié)束后，試樣在塑性變形下產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化，從e點(diǎn)開始應(yīng)力不斷上升第6階段：縮頸變形階段（fg）力施加到f點(diǎn)，試樣產(chǎn)生不均勻的塑性變形，變形主要集中于試樣的某一局部區(qū)域，該處橫截面積急劇減少，結(jié)果就形成了所謂“縮頸”現(xiàn)象。到g點(diǎn)時(shí)，試樣發(fā)生斷裂。過程可分為彈性變形階段、滯彈性變形階段、微塑性應(yīng)變階段、屈服階段、塑性應(yīng)變強(qiáng)化階段和縮頸變形階段。強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度和強(qiáng)度指標(biāo)1.強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力，是重要的力學(xué)性能指標(biāo)。2.抗拉強(qiáng)度抗力強(qiáng)度是試樣在屈服階段之后的最大應(yīng)力，當(dāng)材料無明顯屈服時(shí)，是試驗(yàn)期間的最大應(yīng)力，用Rm(舊標(biāo)準(zhǔn)中用σb)表示。強(qiáng)度與塑性3.屈服強(qiáng)度由拉伸曲線可知，當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)為屈服強(qiáng)度，應(yīng)區(qū)分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。上屈服強(qiáng)度為試樣發(fā)生屈服而力首次下降的最高應(yīng)力，用ReH（舊標(biāo)準(zhǔn)用σsu）表示；而下屈服強(qiáng)度是在屈服期間不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力，用ReL（舊標(biāo)準(zhǔn)用σsl）表示。屈服現(xiàn)象是材料在拉伸時(shí)開始塑性變形的一個(gè)標(biāo)志。屈服強(qiáng)度可以理解為金屬材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力值，其實(shí)質(zhì)是金屬材料對(duì)初始塑性變形的抗力。對(duì)于在拉伸試驗(yàn)時(shí)無明顯的屈服現(xiàn)象的材料，一般用規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度RP0.2（舊標(biāo)準(zhǔn)用σ0.2）表示，并稱為條件屈服強(qiáng)度。RP0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2％時(shí)的應(yīng)力。在生產(chǎn)實(shí)際中，絕大部分工程構(gòu)件和機(jī)器零件在其服役過程中都處于彈性變形狀態(tài)，不允許有明顯的塑性變形產(chǎn)生。屈服強(qiáng)度是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是大多數(shù)工程構(gòu)件和機(jī)器零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。強(qiáng)度與塑性四、塑性和塑性指標(biāo)1.塑性：是金屬材料在外力作用下，斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。2.斷后伸長率：3.斷面收縮率：硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，是金屬材料在靜載荷作用下抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕、劃痕的能力。它在一定程度上反映了材料的綜合力學(xué)性能。硬度值的大小不僅取決材料本身的性能，而且還取決于測(cè)量方法和條件。用不同的方法測(cè)定的硬度值具有不同的意義。與拉伸試驗(yàn)相比，硬度試驗(yàn)簡單，操作迅速方便，又可直接在零件上或工具上進(jìn)行試驗(yàn)而不破壞工件。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣的技術(shù)條件中，硬度是一項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)。硬度的測(cè)量方法較多，主要有壓入法、彈跳法和刻痕法三大類。在機(jī)械制造過程中，常用的測(cè)量硬度方法是壓入法，它是用一定幾何形狀的壓頭，在一定載荷下，壓入被測(cè)金屬表面，根據(jù)被壓入程度來測(cè)定其硬度值。生產(chǎn)中常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度試驗(yàn)方法硬度布氏硬度試驗(yàn)原理：布氏硬度試驗(yàn)是在一定的試驗(yàn)力F作用下，將一定直徑D的硬質(zhì)合金球壓頭壓入到被測(cè)金屬表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量被測(cè)材料表面留下壓痕的平均直徑d，根據(jù)d計(jì)算出壓痕面積S，最后求出壓痕單位面積上承受的平均試驗(yàn)力，以此作為被測(cè)金屬材料的布氏硬度值。布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理示意圖硬度布氏硬度的計(jì)算公式為：式中HBW———布氏硬度;F———試驗(yàn)力大?。∟）;D———硬質(zhì)合金球直徑（mm）;d———壓痕平均直徑（mm）;布氏硬度的單位為N/mm2或kgf/mm2（現(xiàn)已廢棄），習(xí)慣上布氏硬度是不標(biāo)單位的。布氏硬度實(shí)際測(cè)試時(shí)，硬度值不用計(jì)算，而是用刻度放大鏡量出壓痕直徑d，再根據(jù)d的大小，從專門的硬度表中查出相應(yīng)的布氏硬度值。硬度布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范GB/T231—2012標(biāo)準(zhǔn)，布氏硬度表示方法為:布氏硬度值+硬度符號(hào)+試驗(yàn)條件。布氏硬度用符號(hào)HBW表示。如200HBW10/1000/30表示用10mm直徑的硬質(zhì)合金球壓頭，在1000kgf（9.807kN）的試驗(yàn)力作用下，保持30s（持續(xù)時(shí)間為10～15s時(shí)，可以不標(biāo)出），測(cè)定的布氏硬度值為200。試驗(yàn)力的選定應(yīng)保證壓痕直徑在（0.24～0.6）D之間，試驗(yàn)力與硬質(zhì)合金球壓頭之間的比率0.102F/D2，應(yīng)根據(jù)材料和硬度值選擇，優(yōu)點(diǎn)是試樣上壓痕面積較大，能較好地反映材料的平均硬度值，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，重復(fù)性好。缺點(diǎn)是測(cè)試麻煩，壓痕較大，對(duì)材料表面的損傷也較大，不適合測(cè)量成品件及薄件材料。布氏硬度適用于鑄鐵、非鐵金屬及經(jīng)過退火、正火或調(diào)質(zhì)處理的鋼材，更合適于軟金屬，如鋁、鉛、錫等硬度布氏硬度試驗(yàn)過程布氏硬度試驗(yàn)一般在10～35℃的室溫下進(jìn)行。將被測(cè)試樣放置在樣品臺(tái)中央，順時(shí)針平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)手輪，使樣品臺(tái)緩慢上升，試樣與壓頭緊密接觸，直至手輪與螺母產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。此時(shí)按下“開始”鍵，試驗(yàn)開始自動(dòng)進(jìn)行，自此自動(dòng)完成以下過程:試驗(yàn)力加載，試驗(yàn)力完全加上后開始按設(shè)定的保持時(shí)間保持該試驗(yàn)力，時(shí)間到后即開始卸載，完成卸載后恢復(fù)初始狀態(tài)。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪，樣品臺(tái)下降，取下試樣，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量試樣表面的壓痕直徑，并取下試樣，從專門的硬度表中查出相應(yīng)的硬度值。硬度洛氏硬度試驗(yàn)原理：洛氏硬度試驗(yàn)是采用頂角為120°的金剛石圓錐體或一定直徑的鋼球?yàn)閴侯^，以規(guī)定的試驗(yàn)力將其壓入試樣表面。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力，然后加主試驗(yàn)力，壓入試樣表面，經(jīng)過規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，在保留初始試驗(yàn)力的情況下，以殘余壓痕深度計(jì)算硬度值，為了保證壓頭與試樣表面接觸良好，試驗(yàn)時(shí)先加初始試驗(yàn)力F1，在試樣表面壓入深度為h1，并以此作為測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。然后加上主試驗(yàn)力F2，總試驗(yàn)力F=F1+F2，此時(shí)壓頭壓入深度為h2。經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間，卸去主試驗(yàn)力F2，仍保留初始試驗(yàn)力F1，試樣彈性變形的恢復(fù)使壓頭略微上升一段距離至h3，此時(shí)壓頭受主試驗(yàn)力F2作用壓入的深度為h（h=h3-h1）。

洛氏硬度試驗(yàn)原理示意圖硬度洛氏硬度值以殘余壓痕深度h確定，殘余壓痕深度h越大，硬度越低;反之則硬度越高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值越大，硬度越高的概念，一般用一個(gè)常數(shù)k減去殘余壓痕深度h作為硬度值，并以0.002mm的壓痕深度為一個(gè)硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號(hào)HR表示。硬度計(jì)算公式如下：式中HR—洛氏硬度;k—常數(shù)，用金剛石圓錐體作壓頭時(shí)k=100，用鋼球作壓頭時(shí)k=130;h—?dú)堄鄩汉凵疃龋╩m）。洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)，一般均由硬度計(jì)的指示器上直接讀出硬度值。硬度洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范GB/T230—2012標(biāo)準(zhǔn)。為了能用同一硬度計(jì)測(cè)量從軟到硬或不同薄厚試樣的材料硬度，需要采用由不同的壓頭和載荷組成的A、B、C、D、E、F、G、H、K等9種洛氏硬度標(biāo)尺，此外還有6種表面洛氏硬度，共15種，其中洛氏硬度C標(biāo)尺應(yīng)用最廣。洛氏硬度不標(biāo)單位，是一個(gè)無量綱的力學(xué)性能指標(biāo)表示方法：硬度值+硬度符號(hào)例如，50HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為50。洛氏硬度各標(biāo)尺之間沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系，洛氏硬度C標(biāo)尺的測(cè)量范圍一般為20～70HRC，主要用于測(cè)量淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、高硬度鑄鐵等。洛氏硬度試驗(yàn)方法是目前應(yīng)用最廣泛的硬度測(cè)試方法，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試迅速簡便，壓痕較小，可用于測(cè)量成品件;同時(shí)由于壓痕較小，測(cè)得的硬度不夠準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重復(fù)性差。因此，在測(cè)試金屬的洛氏硬度時(shí)，需要選取不同部位測(cè)定三次，取其平均值作為該材料的洛氏硬度值。硬度洛氏硬度試驗(yàn)過程1、試樣：試樣表面應(yīng)盡可能是平面，不應(yīng)有氧化皮及其他污物，一般表面粗糙度Ra≤1.6μm。2、試驗(yàn)設(shè)備：符合國家標(biāo)準(zhǔn)的洛氏硬度計(jì)。金剛石圓錐壓頭錐角為120°，頂部曲率半徑為0.2mm，硬質(zhì)合金球壓頭的直徑為1.5875mm或3.175mm硬度3、試驗(yàn)過程：洛氏硬度試驗(yàn)是在10－35℃的室溫下進(jìn)行的，先將試樣放置在洛氏硬度計(jì)的載物臺(tái)上，選好測(cè)試位置，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪，加初始試驗(yàn)力，使壓頭與試樣緊密接觸，直到小指針對(duì)準(zhǔn)表盤上的小紅點(diǎn)為止。然后將表盤上的大指針對(duì)零（HRB、HRC對(duì)B-C;HRA對(duì)0）。調(diào)好后，輕輕推動(dòng)手柄加主試驗(yàn)力，在大指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)3－4s后拉回手柄，卸除主試驗(yàn)力，此時(shí)大指針回轉(zhuǎn)若干格后停止，從表盤上讀出大指針?biāo)傅挠捕戎担℉RA、HRC讀外圈黑數(shù)字，HRB讀內(nèi)圈紅數(shù)字），并記錄下來。最后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪，使壓頭與試樣分開，調(diào)換試樣位置再次測(cè)量，共需測(cè)四次，取后三次測(cè)量結(jié)果的平均值作為試樣的洛氏硬度值。硬度維氏硬度試驗(yàn)原理：維氏硬度是將頂部兩相對(duì)面具有規(guī)定角度的正棱錐體金剛石壓頭用一定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，通過測(cè)量試樣表面壓痕兩對(duì)角線長度，用其平均值計(jì)算硬度值，壓痕單位表面積所承受的平均壓力為維氏硬度值，用符號(hào)HV表示維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖硬度維氏硬度計(jì)算公式:

式中HV—維氏硬度，不標(biāo)單位;F—試驗(yàn)力（N）;d—壓痕兩對(duì)角線長度平均值（mm）。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，維氏硬度值不用計(jì)算，而是用測(cè)微計(jì)測(cè)出壓痕兩對(duì)角線的長度，計(jì)算出平均值后，再根據(jù)d的大小查表，即可求出所測(cè)硬度值。硬度維氏硬度試驗(yàn)規(guī)范GB/T4340.2-2012維氏硬度的表示方法：維氏硬度值+硬度符號(hào)+試驗(yàn)條件若試驗(yàn)力的保持時(shí)間為10-15s時(shí)，可以不標(biāo)出。如640HV30/20表示在30kgf（294.2N）試驗(yàn)力作用下，保持20s測(cè)得的維氏硬度值為640。硬度維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：是試驗(yàn)載荷小，壓痕較淺，適用范圍寬，測(cè)試范圍為5－3000HV，可以測(cè)定從極軟到極硬的各種金屬材料，尤其適于測(cè)量零件表面淬火層及化學(xué)熱處理的表面層等。同時(shí)維氏硬度只用一種標(biāo)尺，材料的硬度可以直接通過維氏硬度值比較大小，既不存在布氏硬度試驗(yàn)力F與球體直徑D之間關(guān)系的約束，也不存在洛氏硬度那樣不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題。維氏硬度的缺點(diǎn)：是對(duì)試樣表面要求高，壓痕對(duì)角線長度測(cè)量比較麻煩，不適于大批測(cè)試。硬度維氏硬度試驗(yàn)過程1、試樣試樣表面應(yīng)平坦光滑，無氧化皮及污物。試樣或試驗(yàn)層的最小厚度應(yīng)滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)后，試樣背面不應(yīng)出現(xiàn)可見的變形痕跡，從而保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。表面粗糙度Ra≤0.4μm;小載荷維氏硬度試樣粗糙度Ra≤0.2μm。2、試驗(yàn)設(shè)備維氏硬度計(jì)。3、試驗(yàn)過程試驗(yàn)溫度為10-35℃的室溫。先對(duì)試樣進(jìn)行加載，載荷保持規(guī)定時(shí)間后卸除載荷。用測(cè)微目鏡測(cè)讀壓痕對(duì)角線長度，查表得到試樣的維氏硬度值。沖擊韌性沖擊載荷在很短時(shí)間內(nèi)作用在金屬材料上的載荷稱為沖擊載荷。沖床的沖頭、錘鍛桿、風(fēng)動(dòng)工具、錘子等，它們都是利用沖擊載荷工作的;而在其他很多情況下，則要盡量避免受到?jīng)_擊載荷的作用，沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于:沖擊載荷加載時(shí)間短，加載速率高，應(yīng)力集中，使金屬材料的變脆傾向增大。因此沖擊載荷對(duì)材料的破壞效應(yīng)大于靜載荷。沖擊韌性沖擊韌性金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，或者說在斷裂前變形吸收能量的能力叫沖擊韌性，它是金屬材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。金屬材料的沖擊韌性隨加載速度的提高、溫度的降低、應(yīng)力集中程度的加劇而下降。沖擊韌性試驗(yàn)，就是綜合應(yīng)用較高沖擊速度和缺口試樣的應(yīng)力集中，來測(cè)定金屬從變形到斷裂所消耗的沖擊能量的大小，即韌性的高低。沖擊韌性沖擊試驗(yàn)工程上常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定材料抵抗沖擊載荷的能力，即測(cè)定試樣在沖擊載荷作用下被折斷而消耗的沖擊吸收能量K，單位為J（焦耳）。一次擺錘沖擊試驗(yàn)應(yīng)按《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》（GB/T229—2007）進(jìn)行。沖擊試樣標(biāo)準(zhǔn)中沖擊試樣有U形缺口和V形缺口兩種類型。沖擊韌性一次擺錘沖擊試驗(yàn)一次擺錘沖擊試驗(yàn)原理如圖1-5所示，試驗(yàn)時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)試樣置于試驗(yàn)機(jī)支座上（缺口背向擺錘沖擊方向），然后把質(zhì)量為m的擺錘抬升到一定高度H1，然后釋放擺錘，沖斷試樣，擺錘沖斷試樣后由于慣性繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到H2。沖擊過程中如果忽略各種能量損失（空氣阻力及摩擦等），擺錘的位能損失mgH1-mgH2=mg（H1-H2）就是沖斷試樣所需要的能量，即試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收能量，用K表示，并用字母V和U表示缺口的幾何形狀，用下標(biāo)數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑。例如：KV2表示V形缺口試樣在2mm擺錘刀刃下的沖擊吸收能量。KU8表示U形缺口試樣在8mm擺錘刀刃下的沖擊吸收能量。一次擺錘沖擊試驗(yàn)原理沖擊韌性沖擊吸收能量越大，材料的韌性越好，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，而將沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料，脆性材料斷裂前無明顯塑性變形，韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形。對(duì)于同一種材料，隨著溫度的降低，韌性材料可以轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧?，使韌性材料轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧系臏囟确Q為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度決定了金屬材料的使用溫度。一次擺錘沖擊試驗(yàn)測(cè)定的沖擊吸收能量K是一個(gè)由強(qiáng)度和塑性共同決定的綜合力學(xué)性能指標(biāo)，不能直接用于零件和構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，但是一個(gè)重要參考。沖擊韌性小能量多次沖擊試驗(yàn)在工程實(shí)際中，承受沖擊載荷的機(jī)件，除了彈殼、裝甲板、石油射孔槍等外，很少因?yàn)橐淮未竽芰繘_擊而遭到破壞，絕大多數(shù)是在小能量多次沖擊作用下而破壞的，如鑿巖機(jī)風(fēng)鎬上的活塞、沖模的沖頭等。在小能量多次沖擊條件下，材料的破壞是由于多次沖擊損傷積累，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展的結(jié)果，根本不同于一次沖擊的破壞過程。小能量多次沖擊的脆斷主要取決于材料的強(qiáng)度，塑性、韌性處于次要地位。例如，高強(qiáng)度球墨鑄鐵的沖擊吸收能量很低，但大量用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件———曲軸，原因是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸工作時(shí)承受的是小能量多次沖擊，球墨鑄鐵的強(qiáng)度保證了材料的抗破壞能力。因此，對(duì)于金屬材料進(jìn)行小能量多次沖擊試驗(yàn)和研究具有很重要的實(shí)用意義。疲勞變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力變動(dòng)載荷是指大小、甚至方向隨時(shí)間變化的載荷，其在單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。生產(chǎn)中工件正常工作時(shí)其變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力，循環(huán)應(yīng)力中大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力，大小變化而方向不變的循環(huán)應(yīng)力稱為重復(fù)循環(huán)應(yīng)力。

疲勞金屬疲勞金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞斷裂是金屬零件或構(gòu)件在交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力長期作用下由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)在失效的機(jī)械零件或構(gòu)件中，大約有80%以上屬于疲勞破壞。疲勞斷裂與靜載荷和沖擊載荷斷裂相比，具有以下特點(diǎn):疲勞是低應(yīng)力斷裂：斷裂應(yīng)力常低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化：應(yīng)力高則壽命短，應(yīng)力低則壽命長。當(dāng)應(yīng)力低于某一臨界值時(shí)，壽命可達(dá)無限長。疲勞是脆性斷裂：由于疲勞的斷裂應(yīng)力比屈服強(qiáng)度低，所以不論是韌性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂前，均沒有明顯的塑性變形，它是在長期累積損傷過程中，經(jīng)裂紋萌生和緩慢擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)突然發(fā)生的。由于斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，故疲勞斷裂危險(xiǎn)性極大。疲勞疲勞曲線疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，它是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。疲勞曲線表明，金屬材料所受循環(huán)應(yīng)力的最大值σmax越大，則疲勞斷裂前所